Протон-протонный цикл

Физические свойства[править]

Протон относится к барионам, имеет спин 1/2, электрический заряд +1 в единицах элементарного заряда, что равно 1,602176565(35) × 10−19 К. Электрический дипольный момент не превышает значения 5,4 × 10−24 К•см. Электрическая поляризуемость протона равна 1,20(6) × 10−48 м3 , а магнитная поляризуемость равна 1,9(5) × 10−49 м3.

Магнитный момент протона равен 1,410606743(33) × 10−26 Дж•Т−1, что в 2,792847356(23) раз больше амплитуды магнитного момента нейтрона.
Отношение магнитного момента протона к магнетону Бора равно 1,521032210(12) × 10−3.

В физике элементарных частиц протон рассматривается как нуклон с проекцией изоспина +1/2 (в ядерной физике принят противоположный знак проекции изоспина). Протон участвует в четырёх фундаментальных взаимодействиях, среди которых гравитация, электромагнитное взаимодействие, сильное взаимодействие, слабое взаимодействие.

Структураправить

Согласно квантовой хромодинамике, протон является фермионом со спином ½ и состоит из трёх кварков (один d-кварк и два u-кварка). Предполагается, что кварки связаны друг с другом посредством сильного взаимодействия, переносчиком которого являются глюоны. В теории также допускается наличие внутри протона виртуальных (морских) кварков. Сильное взаимодействие кварков за пределами протонов и нейтронов превращается в ядерные силы, скрепляющие нуклоны в атомных ядрах.

Массаправить

Масса протона, выраженная в разных единицах, составляет:

1,672 621 777(74) × 10−27кг,
938,272 046(21) МэВ/c2,
1,007276466812|(90) а. е. м.,
1836,152 672 45(75) массы электрона.

(рекомендованные значения CODATA 2010 года, в скобках указана погрешность величины в единицах последней значимой цифры, одно стандартное отклонение).

В стандартной модели масса трёх токовых кварков, образующих протон, составляет около 1 % массы протона. Считается, что остальная масса протона возникает за счёт кинетической энергии движения этих кварков и массы-энергии глюонного поля.

В квантовой хромодинамике масса протона вычисляется наиболее точно с помощь методики, называемой КХД на решётке или решёточной КХД.

Радиусправить

В первом приближении распределение заряда внутри протона может быть описано экспоненциальной функцией.

Зарядовый радиус протона по данным CODATA составляет 0,8775(51) фм. К известным способам оценки радиуса протона относятся эксперименты по рассеянию электронов, фотонов и нуклонов на протонной мишени, и эксперименты с системой из протона и отрицательного мюона. В зависимости от типа эксперимента и способа обработки результатов, получаются несколько отличающиеся величины радиуса, требующие дополнительного объяснения.

Стабильностьправить

Основная статья: Распад протона

Протон считается стабильной частицей, так как распад свободного протона никогда не наблюдался. Некоторые Теории Великого объединения в физике элементарных частиц предсказывают распад протона с временем его жизни порядка 1036 лет. С целью определения времени жизни протона проводились различные эксперименты в отношении возможных его распадов на разные частицы.

Нижнее ограничение на время жизни протона — 2,1×1029 лет независимо от канала распада, было получено в нейтринной лаборатории в Канаде (Sudbury Neutrino Observatory).
В эксперименте изучалось гамма-излучение, которое могло появиться при распаде протона в составе ядра кислорода-16.

Время жизни 6,6×1033 лет для распада протона на антимюон и нейтральный пион, и 8,2×1033 лет для распада в позитрон и нейтральный пион дали эксперименты на детекторе в Super-Kamiokande, Япония.

Несмотря на свою стабильность, протон может превратиться в нейтрон в таком процессе, как электронный захват (или обратный бета-распад). Уравнение реакции подразумевает излучение электронного нейтрино:
$$~p^+ + e^- \rightarrow n + \nu_e .$$

В обратной реакции бета-распада свободный нейтрон самопроизвольно, с периодом порядка 15 минут, распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино.

1 Протон это элементарная частица

Представления физики о структуре протона менялись, по мере развития физики.

Первоначально физика считала протон элементарной частицей, и так было до 1964 года, когда ГеллМанн и Цвейг независимо предложили гипотезу кварков.

Первоначально, кварковая модель адронов ограничивалась только тремя гипотетическими кварками и их античастицами. Это позволяло правильно описать спектр известных на тот момент элементарных частиц, без учета лептонов, которые не вписались в предлагаемую модель и потому признавались элементарными, наравне с кварками. Платой за это явилось введение, не существующих в природе, дробных электрических зарядов. Затем, по мере развития физики и поступления новых экспериментальных данных, кварковая модель постепенно разрасталась, трансформировалась, в итоге превратившись в Стандартную модель.

Физики усердно занялись поисками новых гипотетических частиц. Поиски кварков велись в космических лучах, в природе (поскольку их дробный электрический заряд невозможно скомпенсировать) и на ускорителях.
Шли десятилетия, росла мощность ускорителей, а результат поисков гипотетических кварков был всегда один: кварки НЕ найдены в природе.

Видя перспективу гибели кварковой (а затем Стандартной) модели, ее сторонники сочинили и подсунули человечеству сказочку о том, что в некоторых экспериментах наблюдаются следы кварков. — Проверить эту информацию невозможно — экспериментальные данные обрабатываются с помощью Стандартной модели, а она всегда выдаст нечто за то, что ей нужно. История физики знает примеры, когда вместо одной частицы подсовывали другую — последней такой манипуляцией экспериментальными данными явилось подсовывание векторного мезона в качестве сказочного бозона Хиггса, якобы отвечающего за массу частиц, но при этом не создающую их гравитационное поле. За эту математическую сказку даже дали Нобелевскую премию по физике. В нашем случае в качестве сказочных кварков подсунули стоячие волны переменного электромагнитного поля, о котором писали волновые теории элементарных частиц.

Когда трон под стандартной моделью вновь зашатался, ее сторонники сочинили и подсунули человечеству новую сказочку для самых маленьких, под названием «Конфайнмент». Любой мыслящий человек сразу увидит в ней издевательство над законом сохранения энергии — фундаментальным законом природы. Но сторонники Стандартной модели не желают видеть ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТЬ.

Взаимодействие свободных протонов с обычным веществом

Хотя протоны имеют сродство к противоположно заряженным электронам, это взаимодействие с относительно низкой энергией, поэтому свободные протоны должны потерять достаточную скорость (и кинетическую энергию ), чтобы стать тесно связанными с электронами. Протоны высоких энергий, пересекая обычную материю, теряют энергию из-за столкновений с атомными ядрами и из-за ионизации атомов (удаления электронов) до тех пор, пока они не замедлятся достаточно, чтобы быть захваченными электронным облаком в нормальном атоме.

Однако при такой ассоциации с электроном характер связанного протона не меняется, и он остается протоном. Притяжение свободных протонов низкой энергии к любым электронам, присутствующим в нормальном веществе (например, электронам в нормальных атомах), заставляет свободные протоны останавливаться и образовывать новую химическую связь с атомом. Такая связь происходит при любой достаточно «холодной» температуре (т.е. сравнимой с температурами на поверхности Солнца) и с любым типом атома. Таким образом, при взаимодействии с любым типом нормального (неплазменного) вещества низкоскоростные свободные протоны притягиваются к электронам в любом атоме или молекуле, с которыми они вступают в контакт, заставляя протон и молекулу объединяться. О таких молекулах говорят, что они « протонированы », и в результате химически они часто становятся так называемыми кислотами Бренстеда .

6.2 Электрические заряды протона

В первой половине 20 века физика считала, что у протона имеется только один электрический заряд и он равен +e.

После появления гипотезы кварков, физика предположила что внутри протона имеются не один, а три электрических заряда: два электрических заряда +2e/3 и один электрический заряд -e/3. В сумме эти заряды дают +e. Это было сделано, поскольку физика предположила, что протон имеет сложную структуру и состоит из двух u-кварков с зарядом +2e/3 и одного d-кварка с зарядом -e/3. Но кварки не были найдены ни в природе, ни на ускорителях ни при каких энергиях и оставалось либо принять их существование на веру (что и сделали сторонники Стандартной модели), либо искать другую структуру элементарных частиц. Но вместе с этим в физике постоянно накапливалась экспериментальная информация об элементарных частицах и когда ее накопилось достаточно для переосмысления сделанного, на свет появилась полевая теория элементарных частиц.

Согласно полевой теории элементарных частиц, постоянное электрическое поле элементарных частиц с квантовым числом L>0, как заряженных, так и нейтральных, создается постоянной компонентой электромагнитного поля соответствующей элементарной частицы (не электрический заряд является первопричиной электрического поля, как физика считала в 19 веке, а электрические поля элементарных частиц таковы, что они соответствуют полям электрических зарядов). А поле электрического заряда возникает в результате наличия асимметрии между внешней и внутренней полусферами, генерирующими электрические поля противоположных знаков. Для заряженных элементарных частиц в дальней зоне генерируется поле элементарного электрического заряда, а знак электрического заряда определяется знаком электрического поля, генерируемого внешней полусферой. В ближней зоне данное поле обладает сложной структурой и является дипольным, но дипольным моментом оно не обладает. Для приближенного описания данного поля как системы точечных зарядов потребуется не менее 6 «кварков» внутри протона — будет точнее, если взять 8 «кварков». Понятное дело, что электрические заряды таких «кварков» будут совершенно иными, чем считает стандартная модель (со своими кварками).

Полевая теория элементарных частиц установила, что у протона, как и у любой другой положительно заряженной элементарной частицы, можно выделить два электрических заряда и соответственно два электрических радиуса:

электрический радиус внешнего постоянного электрического поля (заряда q₊=+1.25e) — r_q+= 4.39 10-14 см,
электрический радиус внутреннего постоянного электрического поля (заряда q_—=-0.25e) — r_q-= 2.45 10-14см.

Данные характеристики электрического поля протона соответствуют распределению 1 полевой теории элементарных частиц. Физика пока экспериментально не установила точность данного распределения и какое распределение наиболее точно соответствует реальной структуре постоянного электрического поля протона в ближней зоне, равно как и саму структуру электрического поля протона в ближней зоне (на расстояниях порядка r_p). Как видите, электрические заряды близки по величине к зарядам предполагаемых кварков (+4/3e=+1.333e и -1/3e=-0.333e) в протоне, но в отличие от кварков, электромагнитные поля в природе существуют, и аналогичной структурой постоянного электрического поля обладает любая положительно заряженная элементарная частица, независимо от величины спина и … .

Величины электрических радиусов для каждой элементарной частицы уникальны и определяются главным квантовым числом в полевой теории L, величиной массы покоя, процентом энергии заключенной в переменном электромагнитном поле (где работает квантовая механика) и структурой постоянной составляющей электромагнитного поля элементарной частицы (одинаковой для всех элементарных частиц с заданным главным квантовым числом L), генерирующей внешнее постоянное электрическое поле. Электрический радиус указывает среднее местонахождение равномерно распределенного по окружности электрического заряда, создающего аналогичное электрическое поле. Оба электрических заряда лежат в одной плоскости (плоскости вращения переменного электромагнитного поля элементарной частицы) и имеют общий центр, совпадающий с центром вращения переменного электромагнитного поля элементарной частицы.

Кварки и масса протона

В квантовой хромодинамике , современной теории ядерных сил, большая часть массы протонов и нейтронов объясняется специальной теорией относительности . Масса протона примерно в 80–100 раз больше суммы масс покоя составляющих его кварков , в то время как глюоны имеют нулевую массу покоя. Дополнительная энергия кварков и глюонов в области внутри протона по сравнению с энергией покоя одних кварков в вакууме КХД составляет почти 99% массы. Таким образом, масса покоя протона представляет собой инвариантную массу системы движущихся кварков и глюонов, составляющих частицу, и в таких системах даже энергия безмассовых частиц по- как часть массы покоя частицы. система.

Для обозначения массы кварков, составляющих протоны, используются два термина: текущая масса кварка относится к массе самого кварка, а составляющая масса кварка относится к текущей массе кварка плюс массе поля глюонных частиц, окружающего кварк. Эти массы обычно имеют очень разные значения. Как уже отмечалось, большая часть массы протона происходит от глюонов, которые связывают текущие кварки, а не от самих кварков. Хотя глюоны по своей природе безмассовые, они обладают энергией, а точнее энергией связи квантовой хромодинамики (QCBE), и именно она вносит большой вклад в общую массу протонов (см. Массу в специальной теории относительности ). Протон имеет массу примерно 938 , из которых масса покоя его трех валентных кварков дает только около 9,4 МэВ / c 2 ; большая часть остатка может быть отнесена к КСБЭ глюонов .

Волновая функция модели составляющего кварка для протона имеет вид

|п↑⟩знак равно1182|ты↑d↓ты↑⟩+2|ты↑ты↑d↓⟩+2|d↓ты↑ты↑⟩-|ты↑ты↓d↑⟩-|ты↑d↑ты↓⟩-|ты↓d↑ты↑⟩-|d↑ты↓ты↑⟩-|d↑ты↑ты↓⟩-|ты↓ты↑d↑⟩.{\ displaystyle | p _ {\ uparrow} \ rangle = {\ frac {1} {\ sqrt {18}}} .}

Внутренняя динамика протонов сложна, потому что она определяется кварками, обменивающимися глюонами и взаимодействующими с различными вакуумными конденсатами. Решеточная КХД позволяет вычислить массу протона прямо из теории с любой принципиальной точностью. Согласно самым последним расчетам, масса определяется с точностью лучше 4%, даже с точностью до 1% (см. Рисунок S5 в работе Dürr et al. ). Эти утверждения до сих пор спорны, потому что расчеты еще не могут быть выполнены с кварками, такими легкими, как в реальном мире. Это означает, что прогнозы находятся в процессе экстраполяции , которая может вносить систематические ошибки. Трудно сказать, правильно ли контролируются эти ошибки, потому что величины, которые сравниваются с экспериментом, — это массы адронов , которые известны заранее.

Эти недавние вычисления выполняются на огромных суперкомпьютерах, и, как отметили Боффи и Паскини: «подробное описание структуры нуклона все еще отсутствует, потому что … поведение на больших расстояниях требует непертурбативной и / или численной обработки …» Более концептуальные подходы к структуре протонов: топологический солитонный подход, первоначально разработанный Тони Скирмом, и более точный подход AdS / QCD, который расширяет его, чтобы включить струнную теорию глюонов, различные модели, вдохновленные КХД, такие как модель мешка и составляющий кварк модель, которая была популярна в 1980-х годах, и правила сумм SVZ , которые позволяют производить грубые приблизительные вычисления массы. Эти методы не обладают такой же точностью, как методы КХД с использованием более грубой силы решетки, по крайней мере, пока.

Новые эксперименты

Новые данные показывают, что проблема радиуса протонов не исчезает. Еще несколько экспериментов в лаборатории Рэндольфа Пола и других уже ведутся. Кто-то прибегает к той же технике мюона для измерения размера более тяжелых атомных ядер, таких как гелий. Другие одновременно измеряют рассеяние мюонов и электронов. Пол подозревает, что виновником может быть не сам протон, а неправильное измерение константы Ридберга, число, которое описывает длины волн света, испускаемого возбужденным атомом. Но эта константа хорошо известна благодаря другим прецизионным экспериментам.

В другом объяснении предлагаются новые частицы, которые вызывают неожиданные взаимодействия между протоном и мюоном, не меняя его связи с электроном. Это может означать, что головоломка выводит нас за рамки стандартной модели физики частиц. «Если в какой-то момент в будущем кто-то обнаружит что-то помимо стандартной модели, это будет так», — говорит Пол, с первым небольшим расхождением, затем с другим и другим, медленно создавая более монументальный сдвиг. Какой истинный размер протона? Новые результаты бросают вызов базовой теории физики.

Рассчитав влияние радиуса протона на траектории пролета, исследователи смогли оценить радиус частицы протона, который составил 0,84184 фемтометра. Ранее этот показатель был на отметке от 0,8768 до 0,897 фемтометра. При рассмотрении таких крошечных количеств всегда существует вероятность ошибки. Однако после 12 лет кропотливых усилий члены команды уверены в точности своих измерений. Теория может нуждаться в некоторой доработке, но каким бы ни был ответ, физики еще долго будут почесывать головы, решая эту сложную задачу.

Протон в химии

Атомный номер

В химии количество протонов в ядре атома известно как атомный номер , который определяет химический элемент, к которому принадлежит атом. Например, атомный номер хлора 17; это означает, что каждый атом хлора имеет 17 протонов и что все атомы с 17 протонами являются атомами хлора. Химические свойства каждого атома определяются количеством (отрицательно заряженных) электронов , которое для нейтральных атомов равно количеству (положительных) протонов, так что общий заряд равен нулю. Например, нейтральный атом хлора имеет 17 протонов и 17 электронов, тогда как анион Cl — имеет 17 протонов и 18 электронов при общем заряде -1.

Однако все атомы данного элемента не обязательно идентичны. Число нейтронов может варьироваться , чтобы сформировать различные изотопы , и энергетические уровни могут отличаться, что приводит к различным ядерных изомеров . Например, есть два стабильных изотопа хлора :35 ₁₇Cl с 35 — 17 = 18 нейтронов и 37 ₁₇Cl с 37 — 17 = 20 нейтронов.

Ион водорода

Протий, наиболее распространенный изотоп водорода, состоит из одного протона и одного электрона (у него нет нейтронов). Термин «ион водорода» ( H+) означает, что этот атом водорода потерял один электрон, в результате чего остался только протон. Таким образом, в химии термины «протон» и «ион водорода» (для изотопа протия) используются как синонимы.

Протон — уникальная химическая форма, представляющая собой голое ядро. Как следствие, он не имеет независимого существования в конденсированном состоянии и неизменно оказывается связанным парой электронов с другим атомом.

Росс Стюарт, Протон: приложение к органической химии (1985, стр. 1)

В химии термин протон относится к иону водорода H+. Поскольку атомный номер водорода равен 1, ион водорода не имеет электронов и соответствует голому ядру, состоящему из протона (и 0 нейтронов для наиболее распространенного изотопа протия. 1 ₁ЧАС). Протон представляет собой «голый заряд» с радиусом всего лишь около 1/64 000 от радиуса атома водорода, поэтому он чрезвычайно химически активен. Таким образом, свободный протон имеет чрезвычайно короткое время жизни в химических системах, таких как жидкости, и немедленно вступает в реакцию с электронным облаком любой доступной молекулы. В водном растворе он образует ион гидроксония H ₃ O + , который, в свою очередь, дополнительно сольватируется молекулами воды в таких как [H ₅ O ₂ ] + и [H ₉ O ₄ ] + .

Передача H+в кислотно-щелочной реакции обычно называют «перенос протона». Кислоты называют в качестве донора протонов и основания в качестве акцептора протонов. Аналогичным образом, биохимические термины, такие как протонный насос и протонный канал, относятся к движению гидратированного водорода.+ ионы.

Ион, образующийся при удалении электрона из атома дейтерия, известен как дейтрон, а не протон. Точно так же удаление электрона из атома трития дает тритон.

Протонный ядерный магнитный резонанс (ЯМР)

Также в химии термин « протонный ЯМР » относится к наблюдению ядер водорода-1 в (в основном органических ) молекулах с помощью ядерного магнитного резонанса . В этом методе используется спин протона, значение которого составляет половину (в единицах hbar ). Название относится к изучению протонов в том виде, в каком они встречаются в протии (атомы водорода-1) в соединениях, и не подразумевает, что свободные протоны существуют в изучаемом соединении.

pp-реакция

Реакция слияния двух протонов происходит в 2 стадии. Сначала два протона образуют дипротон (2He{\displaystyle \mathrm {^{2}He} }):

11H+11H→22He.{\displaystyle \mathrm {_{1}^{1}H} +\mathrm {_{1}^{1}H} \rightarrow \mathrm {_{2}^{2}He} .}

Дипротон практически моментально распадается обратно на два протона (протонный распад), однако, в крайне редком случае он успевает испытать бета+ распад, превращаясь в дейтрон (ядро дейтерия 2H{\displaystyle \mathrm {^{2}H} } ):

22He→12H+e++νe.{\displaystyle \mathrm {_{2}^{2}He} \rightarrow \mathrm {_{1}^{2}H} +e{^{+}}+\nu _{e}.}

Таким образом, общая формула реакции:

11H+11H→12H+e++νe+0.42MeV.{\displaystyle \mathrm {_{1}^{1}H+_{1}^{1}H} \rightarrow \mathrm {_{1}^{2}H} +e{^{+}}+\nu _{e}+\mathrm {0.42MeV} .}

Что такое протон?

Все, чего вы можете коснуться и чувствовать, состоит из атомов. Размер этих крошечных частиц внутри центра атома очень маленький. Хотя они составляют большую часть веса атома, но они все же очень малы. Фактически, если бы атом был размером с футбольное поле, каждый из его протонов был бы только размером с муравья. Протоны не должны ограничиваться ядрами атомов. Когда протоны находятся за пределами атомных ядер, они приобретают увлекательные, причудливые и потенциально опасные свойства, аналогичные свойствам нейтронов в подобных обстоятельствах.

Но протоны обладают дополнительным свойством. Поскольку они несут электрический заряд, их можно ускорить электрическими или магнитными полями. Высокоскоростные протоны и атомные ядра, содержащие их, выделяются в больших количествах во время солнечных вспышек. Частицы ускоряются магнитным полем Земли, вызывая ионосферные возмущения, известные как геомагнитные бури.

Свойства протона

Относится к барионам, имеет спин 1⁄₂, электрический заряд +1 (в единицах элементарного электрического заряда). В физике элементарных частиц рассматривается как нуклон с проекцией изоспина +1⁄₂ (в ядерной физике принят противоположный знак проекции изоспина). Состоит из трёх кварков (один d-кварк и два u-кварка). Стабилен.

Масса протона, выраженная в разных единицах, составляет (рекомендованные значения CODATA 2014 года, в скобках указана погрешность величины в единицах последней значимой цифры, одно стандартное отклонение):

938,272 0813(58) МэВ;
1,007 276 466 879(91) а. е. м.;
1,672 621 898(21)·10−27кг;
1836,152 673 89(17) массы электрона.

Внутренняя чётность протона равна 1.

Отношение масс протона и электрона, равное 1836,152 673 89(17), с точностью до 0,002 % равно значению 6π5 = 1836,118…

Внутренняя структура протона впервые была экспериментально исследована Р. Хофштадтером путём изучения столкновений пучка электронов высоких энергий (2 ГэВ) с протонами (Нобелевская премия по физике 1961 г.). Протон состоит из тяжёлой сердцевины (керна) радиусом ≈,25⋅10−13{\displaystyle \approx 0,25\cdot 10^{-13}} см, с высокой плотностью массы и заряда, несущей ≈35%{\displaystyle \approx 35\%} электрического заряда протона и окружающей его относительно разреженной оболочки. На расстоянии от ≈,25⋅10−13{\displaystyle \approx 0,25\cdot 10^{-13}} до ≈1,4⋅10−13{\displaystyle \approx 1,4\cdot 10^{-13}} см эта оболочка состоит в основном из виртуальных ρ- и π-мезонов, несущих ≈50%{\displaystyle \approx 50\%} электрического заряда протона, затем до расстояния ≈2,5⋅10−13{\displaystyle \approx 2,5\cdot 10^{-13}} см простирается оболочка из виртуальных ω- и π-мезонов, несущих ~15 % электрического заряда протона.

Давление в центре протона, создаваемое кварками, составляет порядка 1035Па (1030атмосфер), то есть выше давления внутри нейтронных звёзд.

Магнитный момент протона измеряется путём измерения отношения резонансной частоты прецессии магнитного момента протона в заданном однородном магнитном поле и циклотронной частоты обращения протона по круговой орбите в том же самом поле.

С протоном связаны три физических величины, имеющих размерность длины:

комптоновская длина волны протона λK=2πℏmc≈1,32⋅10−13{\displaystyle \lambda _{K}={\frac {2\pi \hbar }{mc}}\approx 1,32\cdot 10^{-13}} см;
расстояние от центра протона до максимума плотности электрического заряда RE≈,75⋅10−13{\displaystyle R_{E}\approx 0,75\cdot 10^{-13}} см;
гравитационный радиус протона RG=2Gmc2≈2,48⋅10−52{\displaystyle R_{G}={\frac {2Gm}{c^{2}}}\approx 2,48\cdot 10^{-52}} см.

Измерения радиуса протона с помощью атомов обычного водорода, проводимые разными методами с 1960-х годов, привели (CODATA-2014) к результату 0,8751 ± 0,0061 фемтометра (1 фм = 10−15 м). Первые эксперименты с атомами (где электрон заменён на мюон) дали для этого радиуса на 4 % меньший результат 0,84184 ± 0,00067 фм. Причины такого различия пока неясны.

Ультрарелятивистские протоны (как и любые другие адроны, а также атомные ядра) для неподвижного наблюдателя имеют форму двояковогнутой линзы.

Так называемый слабый заряд протона Q_w ≈ 1 − 4 sin2θ_W, определяющий его участие в слабых взаимодействиях путём обмена Z-бозоном (аналогично тому как электрический заряд частицы определяет её участие в электромагнитных взаимодействиях путём обмена фотоном), составляет 0,0719 ± 0,0045, согласно экспериментальным измерениям нарушения чётности при рассеянии поляризованных электронов на протонах. Измеренная величина в пределах экспериментальной погрешности согласуется с теоретическими предсказаниями Стандартной модели (0,0708 ± 0,0003).

Физика внутри магнитного поля

В 2004 году, когда Харзеев был главой группы по ядерной теории в Брукхейвенской лаборатории, у него возникла идея, каким образом они могли бы экспериментально найти доказательства переворота хиральности кварков, чего никогда не наблюдалось.

Поскольку кварки заряжены, они должны взаимодействовать с магнитным полем. «Обычно мы никогда не думаем об этом взаимодействии, потому что магнитные поля, которые мы можем создать в лаборатории, чрезвычайно слабы по сравнению с силой взаимодействий кварков друг с другом», — говорит Харзеев. «Однако мы поняли, что когда сталкиваются заряженные ионы, они сопровождаются электромагнитным полем, и это поле может быть использовано для исследования киральности кварков».

Когда были произведены расчеты, обнаружили, что положительно заряженные ионы, падающие друг в друга внутри коллайдера частиц, такого как LHC, будут генерировать магнитное поле на два порядка сильнее, чем на поверхности самого сильного из известных магнитных полей. Этого было бы достаточно, чтобы преодолеть сильное влечение кварков друг к другу.

В сильном магнитном поле движение кварка больше не является случайным. Магнитное поле автоматически сортирует кварки в соответствии с их хиральностью, а их направленность направляет их к северному или южному полюсу поля.

Предыдущая статья
На смену Ан-26. Ил-112В торопится «худеть»

Следующая статья
Уникальный дуэт физики. Свет и материя смешиваются